Почему процессоры перестали разгоняться — и откуда тогда скорость
Пятнадцать лет назад у ноутбука было 3 ГГц, сейчас — тоже около трёх. Разбираемся без формул, почему частоту перестали поднимать и за счёт чего новые процессоры всё равно быстрее.
Вы покупаете новый ноутбук, открываете характеристики и видите: 3 ГГц. Достаёте из шкафа старый, лет пятнадцати от роду, — у него тоже около 3 ГГц. Возникает честный вопрос: нас что, пятнадцать лет водили за нос? Новый же явно быстрее.
Быстрее. Просто скорость давно добывают не из гигагерц. Давайте разберёмся без формул — ну, почти без формул. А в конце я покажу, как сравнивать процессоры, чтобы магазинная цифра вас больше не путала.
Гигагерцы — это шаг, а не скорость
Частота процессора — это сколько раз в секунду он «шагает». 3 ГГц — три миллиарда тактов в секунду. На каждом такте внутри что-то происходит: числа складываются, данные переезжают из одного места в другое.
Представьте кухню в столовой. Частота — это темп, в котором шеф хлопает в ладоши, а повара по хлопку делают следующее движение. Хлопать чаще — кухня работает быстрее. Логично же хлопать всё чаще и чаще?
Так и делали. В девяностых и начале двухтысячных частота росла каждый год: сотни мегагерц, потом гигагерц, потом два, три. К середине двухтысячных настольные процессоры подобрались к 4 ГГц, а Intel готовила следующий процессор, нацеленный на 7 ГГц и выше.
Он так и не вышел. И причина очень бытовая.
Звучит страшно, а на деле — это жаркая кухня
Сначала одно слово, без которого дальше не обойтись. Процессор состоит из миллиардов транзисторов — крошечных переключателей, которые пропускают ток или не пропускают. Из их «включено-выключено» и складываются все вычисления.
Каждый такт транзисторы переключаются и тратят немного энергии, и почти вся она превращается в тепло. Чем выше частота, тем больше тепла. Но хуже другое: чтобы транзисторы успевали переключаться быстрее, на них приходится подавать более высокое напряжение. А мощность растёт пропорционально квадрату напряжения. Это та самая «почти формула», дальше без них.
В переводе на кухню: чтобы шеф хлопал вдвое чаще, поварам нужно двигаться не вдвое, а намного резче — и они начинают потеть так, что кондиционер не справляется.
Долгие годы этот рост тепла компенсировало уменьшение самих транзисторов. Чем меньше транзистор, тем меньше ему нужно напряжения и энергии. Эту закономерность описал в 1974 году инженер Роберт Деннард с коллегами, и её называют масштабированием Деннарда. Уменьшили транзисторы — смогли поднять частоту, и плита не раскалилась.
Примерно к 2005 году это перестало работать. Транзисторы продолжали уменьшаться, но снижать напряжение дальше стало нельзя: слишком маленькие транзисторы начинают «протекать» — пропускать ток даже в выключенном состоянии. Тепло перестало уменьшаться вместе с размером.
Тот самый процессор на 7 ГГц — проект Intel под названием Tejas — показал это нагляднее любой теории. По опубликованным данным, его ранний образец выделял около 150 ватт уже на частоте 2,8 ГГц. Это как две старые лампочки накаливания по 75 ватт, спрятанные в корпус компьютера. В 2004 году проект закрыли, и вся индустрия свернула с дороги «больше гигагерц».
Тогда откуда скорость?
Раз хлопать чаще нельзя, кухню переделали. Способов несколько, и все они работают одновременно.
Больше поваров
Первое решение: вместо одного очень быстрого ядра поставить несколько обычных. Ядро — это, по сути, отдельный процессор внутри общего корпуса. Первые двухъядерные процессоры для домашних компьютеров вышли в 2005 году. Сегодня у смартфона обычно шесть-восемь ядер, а у мощных настольных процессоров бывает больше двадцати.
Подвох в том, что не каждое блюдо можно готовить вдесятером. Суп варят в одной кастрюле — сколько поваров ни поставь, быстрее не закипит. Так и с программами: что-то легко делится на части (обработка фото, сборка видео), а что-то — нет. Поэтому многоядерность помогает не везде.
Больше работы за один хлопок
Второе решение менее заметное, но не менее важное. Современное ядро за один такт успевает сделать гораздо больше, чем ядро двадцатилетней давности. Оно заранее угадывает, какая команда понадобится дальше, выполняет несколько команд параллельно, держит под рукой больше данных в быстрой памяти — кэше.
Вернёмся на кухню: раньше повар по хлопку брал одну морковку. Теперь он по тому же хлопку берёт морковку, нож уже лежит под рукой, а следующая морковка заранее помыта. Темп тот же — продуктивность другая.
Вот почему процессор на 3 ГГц сегодня и процессор на 3 ГГц пятнадцать лет назад — это примерно как велосипед и мотоцикл, у которых одинаково быстро крутятся колёса.
Отдельные цеха под отдельные задачи
Третье решение — специализация. Внутри современного чипа есть блоки, которые умеют делать что-то одно, но очень быстро и экономно: декодировать видео, обрабатывать снимки с камеры, а в последние годы — выполнять вычисления для нейросетей. Такой блок часто называют NPU, нейропроцессор.
Это как отдельный кондитерский цех в той же столовой. Торт там испекут быстрее и с меньшими затратами, чем если бы его пёк универсальный повар.
Но частоты ведь всё-таки подросли?
Подросли — но не так, как обещали в начале двухтысячных. Самые быстрые настольные процессоры сегодня на короткое время разгоняются до 6 ГГц с небольшим. Обратите внимание на слова «на короткое время»: это так называемый турборежим. Процессор ускоряется, пока не нагрелся, и сбрасывает частоту, когда упирается в температуру или в ограничение по питанию.
Отсюда практический вывод: у тонкого ноутбука и у большого игрового может стоять одна и та же цифра в характеристиках, но работать они будут по-разному. Тонкому негде отводить тепло — он будет держать высокую частоту недолго.
Как сравнивать процессоры на практике
Раз гигагерцы мало что говорят, на что же смотреть? Вот порядок, который работает и для ноутбука, и для настольного компьютера.
- Начните со своих задач. Почта, браузер и документы? Почти любой современный процессор справится, и переплачивать за ядра не нужно. Монтаж видео, 3D, сборка программ? Тогда много ядер действительно ускорят работу.
- Смотрите на поколение, а не на частоту. Процессор свежего поколения с меньшей частотой часто быстрее старого с большей — из-за той самой «работы за один хлопок».
- Ищите результаты тестов. В обзорах процессоры прогоняют через одинаковые программы и сравнивают итог. Это честнее любой цифры из характеристик. Сравнивайте процессоры в одном и том же тесте — результаты разных тестов между собой не сравнивают.
- Для ноутбука — проверьте поведение под нагрузкой. Хорошие обзоры показывают, держит ли ноутбук скорость через 10–15 минут работы или сбрасывает её из-за нагрева. Один и тот же процессор в разных корпусах может работать заметно по-разному.
- Нужен ли вам нейропроцессор? Если пользуетесь функциями с нейросетями прямо на устройстве — улучшение фото, перевод, распознавание речи без интернета, — наличие NPU полезно. Если нет — за него не стоит доплачивать.
А цифра «3 ГГц» пусть останется тем, чем она и стала, — темпом хлопков, а не скоростью кухни.
Если коротко
- Частоту перестали поднимать около 2005 года: дальше процессор выделял бы больше тепла, чем можно отвести в обычном корпусе.
- Скорость теперь растёт за счёт множества ядер, большей работы за каждый такт и специальных блоков — например, для нейросетей.
- Сравнивайте процессоры по поколению и результатам тестов в ваших задачах, а у ноутбука — ещё и по тому, как он держит нагрузку.
Это первая часть цикла «Компьютер без формул». Следующая — «Оперативная память: рабочий стол компьютера».